ThermoFlex-WAVE

Weiterentwicklung und Validierung einer Technologie zur internen Wärmespeicherung für eine effizientere Wärmenutzung von Biogasanlagen

#Biogas

#Wärme

01.10.2018

30.09.2021

FKZ-Nr.:

03KB142

Ausgehend von den im Vorgängerprojekt erzielten vielversprechenden Ergebnissen, ist eine Überführung des ThermoFlex-Verfahrens in großtechnische Anwendungen vorgesehen. Hierfür sind im Vorfeld einer erfolgreichen Markteinführung umfassende FuE-Arbeiten zur Weiterentwicklung/Anpassung sowie Validierung/Erprobung des entwickelten Verfahrens erforderlich, die im Folgeprojekt ThermoFlex-WAVE geplant sind. Zu den wesentlichen Zielen des Projektes gehört neben der Optimierung des ThermoFlex-Verfahrens und Planung von Verfahrensvarianten die Umrüstung einer landwirtschaftlichen Biogasanlage zur Referenzanlage und die großtechnische Erprobung zur Validierung des ThermoFlex-Verfahrens.

Bei einer flexiblen Stromproduktion von Biogasanlagen mit hohem Wärmenutzungsgrad werden effiziente Technologien der Wärmespeicherung eine entscheidende Rolle spielen. Vor diesem Hintergrund wurde durch die Projektpartner im Rahmen des Verbundprojektes „ThermoFlex“ - gefördert vom BMBF im Programm KMU innovativ - ein neues Verfahren entwickelt. Das ThermoFlex-Verfahren ermöglicht die Flexibilisierung von Biogasanlagen bei hohem Wärmenutzungsgrad ohne zusätzlichen Wärmespeicher. Damit lassen sich die Investitionskosten gegenüber konventionellen Systemen der Wärmespeicherung deutlich verringern. Das Verfahren basiert auf einem gezielten, geregelten Betrieb einer zweiten Fermentationsstufe (Nachgärer) in thermophilen Temperaturbereichen als Wärmespeicher nach einer mesophilen ersten Stufe (Fermenter). Wie durch die Vorarbeiten der Partner für übliche Prozessbedingungen bestätigt, toleriert die Prozessbiologie der schwach belasteten Nachgärer entsprechende Temperaturvariationen.

• Analyse der aktuellen technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen zum Einsatz des ThermoFlex-Verfahrens; Anpassung an relevante Wärmenutzungsmöglichkeiten • Detailplanung optionaler Verfahrensvarianten für Beispielsysteme • Planung und ingenieurtechnische Begleitung der Umrüstung der großtechnischen Biogasanlage zur Referenzanlage für das ThermoFlex-Verfahren • Technische Optimierung des ThermoFlex-Verfahrens auf der Referenzanlage; Validierung des Marktpotenzials sowie ökonomische und ökologische Bewertung des Verfahrens

• Optimierung der Regelung des ThermoFlex-Verfahrens und der modellbasierten Überwachung des biologischen Prozesses • Modellierung und Simulation von Beispielszenarien für optionale Verfahrensvarianten • Implementierung der ThermoFlex-Regelung für die Referenzanlage; Begleitung der MSR-technischen Umrüstung der großtechnischen Biogasanlage • Simulation von Szenarien zur optimalen Verfahrensparametrierung für den laufenden Betrieb der Referenzanlage

• Kontinuierlicher Gärversuch zur Temperaturtoleranz der Prozessbiologie für die Randbedingungen der Referenzanlage • Untersuchungen zu einer potenziellen Steigerung der Substrateffizienz durch thermophile Prozessführung im Nachgärer sowie zu den Belastungsgrenzen im Gärversuch • Wissenschaftliche Begleitung der Umrüstung der großtechnischen Biogasanlage; inkl. Analyse des Ist-Zustandes der Verfahrensführung, Prozessbiologie und Anlageneffizienz im Vorfeld der Umrüstung • Wissenschaftliche Begleitung der großtechnischen Erprobung des ThermoFlex-Verfahrens; inkl. Prozessmonitoring und Optimierung Prozessbiologie nach der Umstellungsphase

• Bereitstellung und Aufbereitung der Daten zur Biogasanlage und zur Wärmenutzung für die Planung der Referenzanlage • Definition betrieblicher Randbedingungen für eine Umrüstung auf das ThermoFlex-Verfahren • Umrüstung der großtechnischen Biogasanlage auf das ThermoFlex-Verfahren • Betriebliche Durchführung der großtechnischen Erprobung; Bereitstellung und Aufbereitung der Betriebsdaten der Erprobungsphase für die Auswertung der Ergebnisse

Im Zuge des Projektes wurde eine Weiterentwicklung des ThermoFlex-Verfahrens vorgenommen, wobei detaillierte FuE- und Planungsarbeiten am Beispiel der Referenzanlage erfolgten. Weiterhin wurden Labor-Gärversuche für wesentliche Randbedingungen der Referenzanlage durchgeführt. Durch Analysen und Verfahrensoptimierungen mit dynamischen Simulationsmodellen, wurden die Entwicklungsarbeiten unterstützt. Dabei hat sich im Laufe des Projektes ein geringerer Temperaturbereich im Nachgärer (auch <50 °C) als vielversprechender Ansatz für kostengünstige und kurzfristige Realisierungen von ThermoFlex herausgestellt. Für die Referenzanlage wurde eine entsprechende Lösung dahingehend entwickelt, dass durch Wärmespeicherung in den Gärbehältern mehr Wärme für den Betrieb einer Trocknungsanlage verfügbar wird. Auf dieser Basis wurden zwei Demonstrationsversuche zur großtechnischen Erprobung der modifizierten ThermoFlex-Variante durchgeführt.

Kernbotschaften:
1. Die erfolgreiche großtechnische Erprobung zeigt, dass fallspezifisch angepasste ThermoFlex-Varianten umsetzbar sind.
2. Das erprobte Konzept kann auch für vergleichbare Biogasanlagen als kostengünstige Lösung angewendet werden.
3. Dynamische Simulationsmodelle zum Wärmemanagement und zur Prozessbiologie können die Verfahrensoptimierung effektiv unterstützen.

Vorträge auf Konferenzen/Tagungsbänden:

- Seick I, Wiese J (2019): Wärmespeicherung im Nachgärer mit dem ThermoFlex-Verfahren für flexible Biogasanlagen. 12. Biogas-Innovationskongress 2019, 21.-22.05 2019 in Osnabrück, Tagungsband. ISBN 978-3-947777-03
- Wärmespeicherung im Nachgärer mit »ThermoFlex«- Was gibt es Neues?. 8. Fachtagung Biogas, Merseburg, 24.10.20